一听：芯

今天的第一条，来自彭天放老师的硬科技报告。

5月17日，欧洲一年一度的未来峰会在比利时安特卫普召开。在峰会上，著名的比利时微电子技术研究中心IMEC发布了未来15年的芯片工艺路线图。这张路线图，从今年台积电和三星即将量产的3nm工艺开始，一口气规划了未来七代的芯片工艺，比如2024年的2nm工艺、2028年的1nm工艺，甚至一直展望到了2036年的0.2nm的芯片工艺。

要注意，这个路线图并不是简单的喊口号，而是对未来每一代工艺，都提出了具体的晶体管结构。我们在之前的节目里聊到，业界一直以来就有摩尔定律快要到头的担心。这次发布等于是把未来15年，业界打算怎么继续摩尔定律的技术路线图公布出来了，非常重磅。

消息就是这样，来看看能学到什么知识。

这张未来15年的芯片工艺路线图，是沿着传统的芯片性能改进方向前进，制程越小，性能越高。不过你知道吗，决定芯片性能的，除了制程，还有一个重要指标，这就是晶体管的工作频率。现在芯片的工作频率，跟20年前奔腾4芯片的频率差不多，都是3-5GHz，也就是每秒钟30-50亿次。这个速度听起来很厉害，其实在微观世界里，并不是一个很夸张的数字。

在过去20年里，跟芯片制程的突飞猛进完全不同，晶体管的工作频率就没怎么提高过。这主要是因为，发热问题很难解决。一旦晶体管的工作频率超过了每秒钟几十亿次这个范围，芯片就会变成一块不折不扣的电烙铁，很容易就把自己烧坏了。

怎么才能进一步提高晶体管的工作频率呢？目前科学界大概有两个思路。第一个思路，是更换晶体管的材料，用其他材料来替代硅。比如北京大学彭练矛院士研究的碳纳米管芯片，就是非常有代表性的研究方向。第二个思路，就是改变计算的媒介，比如，用激光来替代电子，这是一个目前非常热门的研究领域。

你知道，传统的晶体管是用电子来做计算媒介的。通俗地说，就是在一块半导体上施加电压，让材料中的一大群电子聚在一起或者散开，来控制晶体管的开和关。这个通过电压来控制电子聚散过程，是要耗费一些时间的，很难做得特别快。

而用激光做计算，是利用了激光和原子的相互作用，不需要电子大范围的移动，只需要引发原子周围一些电子的状态跃迁，需要的时间就少得多。这背后的关键，是一个叫做“光激发”的物理过程。

简单来说，当特定频率的光照射到一些固体表面的时候，固体里的一部分电子会在光的照射下，从被束缚的状态变得可以做定向运动。如果光的频率、波形等参数调整合适，这些定向运动的电子就会形成可以被测量的电流信号。如果再进一步，用两束激光分别代表两个需要被运算的数字；而且这两种光刚好能够在固体里面引发两种类型不同的电流，不就可以用光来进行计算了吗？

最近，科学家就是根据这个原理，搭建出了目前世界上工作频率最高的逻辑门电路。这是5月11号，德国埃尔朗根-纽伦堡大学的研究团队在《自然》杂志上发表的一篇研究。研究人员用一种超短脉冲激光作为计算媒介，做了一个原型电路，这个电路的计算频率理论上可以达到PHz量级，也就是每秒钟千万亿次。比起目前晶体管每秒钟几十亿次的计算频率，高出了大概100万倍。

研究人员用来被光照射的固体，是一个长和宽都只有几微米的石墨烯薄膜，薄膜的两端贴上了用来测量电信号的黄金电极。然后，用两束激光来照射固体，一束负责照射石墨烯薄膜的正中央，引发一种所谓“实载流子”所构成的电流；另一束负责照射石墨烯薄膜和黄金电极的交界处，引发一种所谓“虚载流子”所构成的电流。

上面这些专业名词我们不用刻意去记。你只要知道，这两束激光都可以通过波形调控，被赋予0和1的意义。当它们同时照射到石墨烯薄膜的时候，薄膜上的总电流就可以用来代表这两束激光的运算结果。

更重要的是，用来运算的激光，是一种叫做“超短脉冲激光”的特殊激光类型。它的持续时间在一飞秒——也就是千万亿分之一秒这个量级。这也就意味着，如果用这种激光作为运算介质，单个门电路每秒钟的运算次数，就有可能达到千万亿次的量级。这个运算速度，是目前晶体管的100万倍。也就是说，现在一颗芯片上，动辄需要几十亿枚晶体管完成的运算任务，如果用飞秒激光的运算单元来做，只需要几千枚就可以办到。

值得一提的是，发表这篇论文的学术带头人，从2007年读博士的时候，就一直深耕这个超快激光运算的研究方向。如今经过了15年的努力，才逐渐摸清了上面所说的激光波形控制、载流子的控制方程等等一系列复杂问题，终于制造出了这篇论文里面的原型电路。这样的科学精神，值得钦佩。